全氟辛烷磺酸對大型蚤的慢性毒性研究

沈洪艷，楊杰頻，曹志會，王 冰，趙 月

(1．河北科技大學環境科學與工程學院，河北石家莊 050018；2．河北省藥用分子化學重點實驗室，河北石家莊 050018)

全氟辛烷磺酸對大型蚤的慢性毒性研究

沈洪艷1，2，楊杰頻1,2，曹志會1，王 冰1，趙 月1

(1．河北科技大學環境科學與工程學院，河北石家莊 050018；2．河北省藥用分子化學重點實驗室，河北石家莊 050018)

采用大型蚤21天暴露和子代21天恢復實驗法，研究了PFOS對大型蚤的慢性毒性效應及其子代F1(1st)和F1(3rd)的恢復情況。結果顯示：PFOS質量濃度高于20 mg/L時，F0代總產卵量、終點體長和內稟增長率都受到顯著抑制。3個指標在最高濃度組與空白組相比，依次降低了62.2%，40.6%，34.0%(p<0.01)。隨PFOS暴露濃度增加，其對大型蚤毒性逐漸加重，PFOS暴露濃度與對大型蚤毒性之間具有明顯的劑量-效應關系。當PFOS質量濃度高于30 mg/L時，F1(lst)代總產卵量和終點體長受到顯著抑制。F1(3rd)代比F1(1st)代大型蚤恢復程度更好，除暴露于50 mg/L的總產卵量、終點體長和內稟增長率仍受顯著抑制，其他指標都恢復到接近空白組水平。大型蚤總產卵量、終點體長和內稟增長率作為最敏感的指標，建議將其用于評價PFOS的慢性毒性。

全氟辛烷磺酸；大型蚤；恢復實驗；慢性毒性

全氟辛烷磺酸(perfluorooctane sulfonate，PFOS)是一種典型的表面活性劑，最早由美國3M公司成功研制[1]。PFOS是至今發現的性能最優異的表面活性劑[2]，由于其表面活性高、耐熱性高和化學穩定性高，自然條件下很難水解、光解和生物降解[3]，可用于高溫作業或與強酸、強堿接觸的作業，因而在產品包裝涂層、殺蟲藥劑、印刷、半導體以及紡織品、皮革制品和電鍍等工業得到廣泛應用。然而，大范圍的使用導致了全球范圍內的廣泛分布和殘留。特別是由于PFOS揮發性小而水溶性大，生產廢水屬于高濃度有機廢水[4]，排放后易駐留在水環境當中[5]，并能通過生物的濃縮、食物鏈的傳遞影響高等動物和人類健康。相關動物實驗顯示每天2 mg/kg的PFOS攝入量即可導致死亡，因此被定義為耐久性的有機污染物為世界各國環保組織所禁用[6-8]。PFOS含氟烴基既憎水又憎油[9]，在動物體內易附著在血液和肝臟中的蛋白質上。毒理學研究表明，PFOS具有生殖毒性、神經毒性以及對性腺、甲狀腺的干擾作用[10]。研究表明重金屬污染是中國水體污染的主要問題[11]，但是金一和等研究表明中國境內水環境中也普遍存在著PFOS污染[12]。因此研究PFOS對水生生物慢性毒性效應，可以為風險評價提供科學依據，研究意義重大。

本研究選取國際公認的標準實驗生物大型蚤作為受試生物，采用21天暴露實驗法，研究PFOS對大型蚤母代及其子代第1胎和第3胎：F1(1st)和F1(3 rd)在21 d恢復期的慢性毒性效應。實驗指標終點體長和繁殖情況(每個母蚤產幼蚤數、第1次懷卵和產卵的天數、每個母蚤的胎數)是用來評價個體的參數，而內稟增長率(r)是用來評估種群的參數。本研究以期為揭示PFOS對水生生物的環境毒性和受害機制提供科學依據，了解不同指標的敏感程度，為今后選擇恰當的指標預測PFOS對水蚤種群的影響提供數據支持。

1 材料與方法

1.1實驗材料

1)實驗生物

本實驗受試生物為大型蚤，取自南開大學。在1～2 L的魚缸中，注入500～1 000 mL曝氣3 d的實驗室用水，再放入10～20個大型水蚤，在室內光照條件下進行培養。培養溫度為15～25 ℃，pH值為7.5±0.5，溶解氧質量濃度為2 mg/L以上，硬度(以 CaCO3計)為(250±25)mg/L。采用實驗室培養的斜生柵藻培養液喂養大型蚤，按1∶1(藻液與稀釋水體積比，下同)或1∶2接種。每周全換培養液1～2次。

在顯微鏡下觀察選擇出懷卵量高的水蚤單獨培養，投喂充足的餌料，在實驗前24 h用孔徑為1 mm的篩子將幼水蚤濾去，在實驗前6～12 h進行第2次過篩，得到出生6～24 h的幼水蚤，將幼水蚤再繼續培養2 d，即得出生72 h的實驗水蚤。從中篩選健康、無病菌、有活力、沒有受傷的幼蚤進行實驗。

2)實驗藥品

PFOS(CAS：1763-23-1)，雙蒸水。

3)實驗設備

倒置顯微鏡，100 mL燒杯，BBC-226STV型Haier家用電冰箱(青島海爾股份有限公司)；JPBJ-608型便攜式溶解氧測定儀(上海精密科學與儀器有限公司)；FE20型pH計(梅特勒-托利多儀器上海有限公司)；微型溫度計和水硬度計(WAD-TH)等。

1.2實驗方法

1)大型蚤21天染毒實驗

本實驗參照OECD標準方法[13]，采用21天連續暴露法進行。急性毒性實驗結果顯示PFOS對大型蚤暴露的24 h LC50為150.34 mg/L(質量濃度，下同；95%置信區間為132.21～179.03)，72 h LC50為70.65 mg/L(95%置信區間為65.32～77.21)。本實驗設置6個質量濃度梯度的PFOS，依次為0，10，20，30，40，50 mg/L。每個燒杯中盛放50 mL實驗溶液，放1只出生6～24 h的幼蚤。設置1個空白組和10個平行組(暴露組)。實驗期間采用半靜態實驗系統，24 h更換1次實驗溶液，保證24 h內藥品濃度為起始濃度的80%以上。期間用新鮮的柵藻喂養大型蚤。實驗中及時分離出新出生的小蚤，把死亡的大型蚤用吸管挑出來，以免影響其他大型蚤的健康生長。記錄大型蚤的繁殖情況。實驗溫度控制在(20±2) ℃，培養液中溶解氧應保持在80%飽和度左右。光暗比為14 h∶10 h，pH值為7.8±0.2。

2)子代21天恢復實驗

分別選取每個實驗處理組中母蚤所生的第1胎幼蚤F1(lst)和第3胎幼蚤F1(3rd)10只，即平行組(暴露組)10個，分別放在50 mL沒有PFOS的培養液中(恢復期)，進行21天的恢復培養，其他條件與以上的慢性毒性實驗相同。

實驗期間每24 h觀察1次，取出新生幼蚤，紀錄母蚤蛻皮、死亡情況，第1次懷卵和產卵時間、第1次產卵數、成活率，以及整個實驗過程中的產卵次數和總產卵量。將第1天的水蚤取出，在顯微鏡下測量其體長(從頭盔至殼刺部的長度)。計算最終體長、大型蚤的凈生殖率(R0)、內稟增長率(r)，計算方法見式(1)—式(3)。

R0=∑LXmX，

(1)

T=∑XLXmX/∑LXmX，

(2)

r=lnR0/T。

(3)

式中:LX為存活率；mX為大型蚤每次產幼蚤數；T為世代周期；X為天數。

1.3數據處理

慢性毒性實驗數據采用Origin8.0軟件進行數據處理和作圖，用t檢驗法比較平行組(暴露組)與空白組之間的顯著性差異，當t0.05時，可認為無顯著性差異；當t0.05(n)≤t，即p<0.05時，可認為差異顯著。

2 結果與討論

本實驗中F0代水蚤及其后代的生存未受到影響，但其繁殖受到顯著抑制作用。第1胎F1(lst)和第3胎F1(3rd)的21天恢復實驗中，未發現死亡蚤、雄蚤和冬卵現象。

2.1不同濃度PFOS的暴露下F0代大型蚤和子代21天恢復實驗的生長和繁殖指標

在不同濃度PFOS的暴露下F0代大型蚤生長和繁殖指標的變化見表1。從表1中可以看出，大型蚤的各項指標都受到不同程度的影響。當PFOS質量濃度在40～50 mg/L時，各生長繁殖指標都受到顯著抑制。PFOS質量濃度達到50 mg/L時，除總胎數外，其他各項指標均受到極顯著抑制。受抑制最明顯的就是總產卵量和終點體長2個指標。整個暴露組的總產卵量都受到顯著抑制，PFOS質量濃度高于20 mg/L時，終點體長也受到了顯著抑制，表明總產卵量和終點體長作為最敏感的指標，相對于其他指標更加適合用于衡量PFOS的慢性毒性。

表1 在不同質量濃度PFOS的暴露下F0代大型蚤生長和繁殖指標Tab.1 Growth and reproduction of the F0 generation exposed to different concentration of PFOS

注：*代表暴露組和空白組t檢驗差異顯著，0.01

隨PFOS暴露濃度的增加，大型蚤生長和繁殖受抑制的情況隨之加重。暴露于10 mg/L的PFOS大型蚤的第1次懷卵時間為6.8 d，隨著暴露濃度的增加第1次懷卵時間逐漸增長，與空白組的6.0 d相比增加了0.8～3.0 d。暴露于PFOS大型蚤第1次產卵時間比對照組增加了0.5～2.6 d，第1次產卵量降低了2.7～9.6枚。暴露組的總產卵量比空白組降低了12.6～83.2枚，終點體長降低了0.10～1.38 mm，這說明PFOS對F0代大型蚤的生長和繁殖都有比較嚴重的影響，并且隨著PFOS暴露濃度的增加，該毒性效應趨于嚴重，形成明顯的劑量-效應關系。劉曉玲研究也有相似發現，沐浴露對大型蚤的抑制效應與其濃度呈明顯正相關關系[14]。

表2 F1(1st)代大型蚤在不同質量濃度PFOS暴露后的恢復實驗中生長和繁殖指標的變化Tab.2 Growth and reproduction of the F1(1st) generation in the recovery testafter the F1 generation's exposure to different concentration of PFOS

注：*代表暴露組和空白組t檢驗差異顯著，0.01

表2為F1(1st)代大型蚤在不同質量濃度PFOS暴露后的恢復實驗中生長和繁殖指標的變化情況。從表中數據顯著性分析可知，相對于F0代大型蚤，子代Fl(lst)在沒有PFOS的影響下，其各項生長和發育指標都有所恢復。但與空白組相比較，仍有部分生長指標受到顯著抑制。當PFOS質量濃度高于30 mg/L時，總產卵量和終點體長受到顯著抑制。質量濃度小于40 mg/L時，其他各項指標與空白組沒有顯著差異。在其他毒物的研究中有相同結論，如葉偉紅等研究表明，暴露于氟氯菊酯的母代大型蚤所產F1(1st)代在恢復實驗中總胎數、第1次產卵時間和第1次產卵量與空白組基本沒有差異，而終點體長和總產卵量仍受到顯著抑制[15]。

暴露于PFOS的F1(1st)代大型蚤的總產卵量隨著濃度的增加依次降低，范圍為88.7～125.1枚，而F0代總產卵量為50.5～121.1枚，兩者相比F1(1st)代受抑制作用明顯有所恢復，但與空白組總產卵量132.6枚相比仍有很大差異。從表2可以看出其余各項指標均有逐漸恢復的趨勢。這說明高濃度的PFOS通過母代大型蚤傳遞給子代。

表3 F1(3rd)代大型蚤在不同質量濃度PFOS暴露后的恢復實驗中生長和繁殖指標的變化Tab.3 Growth and reproduction of the F1(3rd) generation in the recovery test after the F1 generation's exposure to different concentration of PFOS

注：*代表暴露組和空白組t檢驗差異顯著，0.01

表3為F1(3rd)代大型蚤在不同質量濃度PFOS暴露后的恢復實驗中生長和繁殖指標的變化情況。從表中可以看出，F1(3rd)代大型蚤在沒有PFOS影響的情況下，其生長和毒性指標與F0代和Fl(lst)代大型蚤相比更加接近正常水平。說明雖然母代大型蚤受PFOS污染后生長繁殖明顯受到毒性影響，但是子代在沒有PFOS的環境中可通過自身代謝或者某些酶的調節，恢復健康狀態。F1(3rd)代比Fl(lst)代恢復狀況更良好，說明晚期產的子代比早期產的子代恢復能力更強，這可能是因為母代大型蚤逐漸適應了PFOS的暴露環境，在暴露后期通過本能的調節使得PFOS傳遞到卵中的殘留量減少。戴朝霞等研究表明，大型蚤在毒物環境暴露初期耐受力降低，在暴露48～96 h后逐漸恢復[16]。但是在有些研究中得到了相反的結論：恢復實驗中隨著子代序列的增加，生長繁殖受抑制更為顯著。如胡方華等的研究表明，三唑酮對于第2代大型蚤，染毒的影響比對第1代的影響更大[17]。這說明毒物在大型蚤世代中的富集效應與毒物本身性質有關。

但是PFOS質量濃度分別為40，50 mg/L時，總產卵量和終點體長2個指標仍受到顯著抑制(0.01

2.2PFOS暴露下的大型蚤F0代及其F1(1st)代、F1(3rd)代在恢復期的內稟增長率

內稟增長率是一種生態指標，可以反映一個種群在無限制的環境中的生長趨勢，是生物生存和繁殖兩種能力的綜合反映。內稟增長率降低的主要原因是種群繁殖能力下降。

圖1 不同質量濃度PFOS暴露下的大型蚤F0代和F1(1st)代、F1(3rd)代在恢復期的內稟增長率Fig.1 Innate rates of increase of F0 generation exposed to different concentration of PFOS and F1(1st), F1(3rd) generations after recovery

圖1為不同質量濃度PFOS暴露下的大型蚤F0代及其F1(1st)代、F1(3rd)代在恢復期的內稟增長率。從圖中可以看出，暴露于20 mg/L的PFOS的F0代大型蚤內稟增長率為0.326，顯著低于空白組(p<0.01)，其降幅為13.5%。暴露于40 mg/L和50 mg/L的PFOS的F0代大型蚤內稟增長率分別為0.270和0.249(p<0.01)。F1(1st)代大型蚤內稟增長率有所恢復，在PFOS質量濃度為30 mg/L時，內稟增長率為0.351，顯著低于空白組(0.01

暴露于PFOS的F0代大型蚤的內稟增長率隨著暴露濃度的增加依次降低，說明較高濃度的PFOS對大型蚤繁殖生長能力影響更大。付保榮等研究表明，隨著暴露毒物濃度的增加大型蚤內稟增長率依次降低[18]。這與本研究所得結果一致。

除PFOS暴露質量濃度20 mg/L外，F1(1st)代大型蚤內稟增長率隨著暴露濃度的增加依次降低，范圍為0.320～0.360(降幅為3.7%～15.4%)，說明較高濃度PFOS可能由母代富集在體內并轉移到了F1(1st)代體中，使其恢復起來比較緩慢，進而影響了水蚤種群的發展。

21天毒性實驗及其子代恢復情況的研究結果，說明自然界中存在亞致死濃度的PFOS對大型蚤種群的發展足以構成威脅。

3 結 語

PFOS對F0代大型蚤的生長和繁殖有比較嚴重的影響。當PFOS質量濃度高于20 mg/L時，F0代總產卵量、終點體長和內稟增長率都受到顯著抑制，并且隨著PFOS暴露濃度的增加，該毒性效應趨于嚴重，PFOS暴露濃度與大型蚤毒性之間具備明顯的劑量-效應關系。相對于F0代大型蚤，Fl(lst)代和F1(3rd)代在沒有PFOS的影響下，各項生長和發育指標都有所恢復。當PFOS暴露質量濃度高于30 mg/L時，Fl(lst)代總產卵量和終點體長受到顯著抑制。暴露質量濃度小于40 mg/L時，其他各項指標與空白組沒有顯著差異。F1(3rd)代比Fl(lst)代大型蚤恢復程度更好，除最高濃度組的總產卵量、終點體長和內稟增長率仍受顯著抑制，其他指標都接近空白組。

大型蚤總產卵量、終點體長和內稟增長率作為最敏感的指標，在以后的研究中，建議將其用于評價PFOS的慢性毒性。高濃度PFOS可由母代富集在體內并轉移到子代中，進而影響水蚤種群的發展。因此，自然界中存在亞致死濃度的PFOS對大型蚤種群甚至整個水生生態系統的發展足以構成威脅，進一步研究PFOS在水中的遷移轉化規律，并制定嚴格的安全排放濃度，對維系水體質量和水生生物安全具有重要的意義。

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Research on chronic toxicity of perfluorooctane sulfonate toDaphniamagna

SHEN Hongyan1,2, YANG Jiepin1，2, CAO Zhihui1, WANG Bing1, ZHAO Yue1

(1.School of Environmental Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China; 2.Hebei Province Key Laboratory of Medical Molecular Chemistry, Shijiazhuang Hebei 050018, China)

Though an experiment of exposingDaphniamagnaand recovering its offspring for both 21 days, the chronic toxicity of perfluorooctane sulfonate (PFOS) toDaphniamagna and its first and third broods F1(1st) and F1(3rd) were investigated. Results show that when the mass concentration of PFOS is higher than 20 mg/L, the number of offspring, length and innate increase rate are significantly inhibited. Compared with the control group, the reduction of the three indicators under the highest exposure concentration are 62.2%, 40.6%, 34.0%(p<0.01), respectively. The toxic effect becomes more serious with gradually increasing of exposure concentration, which shows an obvious dose-response relationship between PFOS concentration of exposure and the toxicity toDaphniamagna. The number of offspring and length of the F1(1st) generation are significantly inhibited when PFOS mass concentration is higher than 30 mg/L. The F1(3rd) generation's recovery extent is better than that of the F1(3rd) generation, and all the indicators recover closely to those of the control group except that the number of offspring, length and innate rate of increase are significantly inhibited when theDaphniamagnais exposed to the PFOS of 50 mg/L. As the most sensitive indicator, the number of offspring, length and innate rate of increase ofDaphniamagnaare suggested for evaluation of PFOS chronic toxicity.

perfluorooctane sulfonate;Daphniamagna; recovery experiments; chronic toxicity

2014-04-01；

2014-05-18；責任編輯：王海云

河北省自然科學基金(B2014208068)；河北省藥用分子化學實驗室開放基金；河北省環保廳公益課題；河北省重點學科建設基金

沈洪艷(1971-)，女，天津人，教授，博士，主要從事污染物環境行為及效應方面的研究。

1008-1542(2014)04-0354-07

10.7535/hbkd.2014yx04008

TQ453;X52

A

沈洪艷，楊杰頻，曹志會，等.全氟辛烷磺酸對大型蚤的慢性毒性研究[J].河北科技大學學報,2014,35(4):354-360.

SHEN Hongyan, YANG Jiepin, CAO Zhihui, et al.Research on chronic toxicity of perfluorooctane sulfonate toDaphniamagna[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2014,35(4):354-360.